硫铝酸盐固井水泥石-套管界面胶结强度增强机理

硫铝酸盐水泥是一种潜在固井材料，其固井界面胶结强度及微观结构尚不明确，为此进行硫铝酸盐水泥浆胶结界面胶结强度增强机理实验研究。采用X射线衍射仪研究硫铝酸盐水泥浆的水化机理，利用胶结强度测试装置测定硫铝酸盐水泥浆固井界面胶结强度，利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析表征固井界面的微观结构及化学组分。研究结果表明:龄期为1 d、3 d、7 d时，硫铝酸盐水泥与套管的胶结强度比同龄期G级水泥分别提高了24.3%、20.1%和25.3%；微观分析结果表明，套管表面聚集着大量Al元素(AH₃凝胶)，其高聚合度可以降低界面处的孔隙率，从而提高硫铝酸盐水泥石的界面封固性能。     

水镁石纤维对固井水泥石力学性能的增强效果及机理

固井水泥石的脆裂微裂缝破坏了水泥环完整性,从水泥材料方面改善水泥石的性能一直是国内外固井界研究的一个热点。为此,实验研究了水镁石纤维对水泥石劈裂抗拉强度、抗压强度和抗折强度的影响;模拟井下环境进行了水镁石纤维水泥石的三轴应力-应变测试;使用扫描电镜观察水镁石纤维水泥石的微观形貌,进而探讨了水镁石纤维对水泥石的增强机理。结果表明：①水镁石纤维掺量适当时,水泥浆的应用性能良好;②水镁石纤维显著增强水泥石力学性能,水镁石纤维掺量为5.0%（质量分数）时,水镁石纤维水泥石的28 d劈裂抗拉强度、抗压、抗折强度较之纯水泥石分别提高32.8%、15.3%和32.2%,而其弹性模量较之空白试样水泥石降低34.5%;③水镁石纤维的亲水性良好,可在水泥石中乱向分布形成三维网络结构,通过拔出耗能作用和桥联作用控制了微裂纹的产生和发展,增强了水泥石力学性能。     

纤维水泥的发展及应用

在介绍目前常用于改善复合材料韧性的几种纤维材料性能的基础上，综述了纤维水泥发展过程的几个阶段、现阶段纤维水泥的应用情况以及国内外关于纤维混凝土的基本力学特征、机理研究、本构理论等方面的研究情况和现状。调研分析表明：纤维水泥已经广泛应用于房屋、桥梁、公路、港口、地下加固等工程建设，并取得很好的效果。针对石油工程领域固井过程中水泥石抗拉、抗剪和抗冲击性能较差等问题，总结分析了纤维水泥在国内外石油工程中的应用实例和研究情况，结果表明：在固井水泥中加入与水泥和水泥外加剂相匹配的纤维材料，可以在不影响水泥浆可泵性的条件下，通过改善水泥石的微观结构而提高水泥环的抗拉、抗压和抗冲击强度等性能，提出了纤维水泥浆体系适合的固井范围和发展趋势。     

增韧纤维水泥浆在胜利油田小间隙井的应用研究

为解决胜利油田开发中后期小间隙固井中存在的诸多问题,从水泥石的弹性和韧性等方面开发出了增韧纤维水泥浆。优选出了增韧纤维,评价了增韧纤维对水泥浆流变性、稠化性能、降滤失性能以及与其他添加剂配伍性能的影响。同时研究了纤维对水泥石的力学性能、渗透率、泊松比和弹性模量以及胶结强度的影响。结果表明,增韧纤维在适宜的加量和长度范围内对水泥浆流变性、稠化性能、失水性能的影响不大,但对水泥石的力学性能影响显著;在小间隙固井中,使用增韧纤维可以改善水泥环的韧性和弹性,防止窜流发生;增韧纤维水泥石的韧性(抗折强度)较原浆水泥石明显提高。该水泥浆体系在23口小间隙井或漏失井进行了应用,解决了现场固井技术难题。     

CO2液相及气相下铝酸盐水泥石强度发展规律

火烧油层工况下,固井水泥石服役温度高达500 ℃以上。硅酸盐水泥难以在此温度范围下稳定存在,同时井内伴生大量腐蚀性气体。因此,研究了矿渣改性铝酸盐水泥（CAC）力学性能的可行性,同时模拟火烧油层实际工况,探究了改性铝酸盐水泥石强度发展规律。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等测试了腐蚀前后改性铝酸盐水泥石的物相组成和微观形貌特征,分析了模拟火烧油层工况下改性铝酸盐水泥石的强度发展规律。结果表明,随着矿渣掺量的增加铝酸盐水泥石抗压强度出现先增加后降低的趋势,且当矿渣掺量为30%左右时其改性效果较好。在50 ℃液相环境下,水泥石被腐蚀产生碳酸钙并产生了孔洞和微裂纹,破坏了水泥石的完整性造成抗压强度降低;而在高温气相环境下,二氧化碳未对水泥石产生腐蚀破坏。在高温下改性CAC水泥石仍可保持较高的抗压强度,并且经过二次高温养护后改性CAC水泥石强度进一步得到发展,具有较好的耐高温性能。该研究为火烧油层工况下CAC水泥石力学性能优化和耐CO₂腐蚀提供了一定的理论基础。      

一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系

随着固井水泥浆技术的发展，固井自愈合技术已然成为预防和治理油气窜、提高水泥环长期密封能力最为有效的技术之一。针对固井水泥环长期密封性能失效引发的环空油气窜技术难题，基于“先防后堵”的技术思路，从化学仿生的角度，研发了一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系，分别评价了该仿生自愈合水泥浆体系工程性能和凝固后的自愈合水泥石力学性能，并通过劈裂造缝的方式，评价了自愈合水泥石在甲烷养护条件下的力学性能恢复能力和渗透率的降低率。最后通过SEM微观测试和红外光谱分析了该自愈合水泥的愈合机理。研究结果表明：(1)水泥石力学性能优异，在抗压强度降低15%的情况下水泥石弹性模量减少41%，显示出良好的韧性，起到了“先防”的作用；(2)破坏后的水泥石遇烃激发，能生成一种溶黏型凝胶状酯类物质，重新黏合水泥石骨架，自愈合水泥石在甲烷养护条件下抗压强度恢复率达94.5%，抗折强度恢复率达58.6%，气测渗透率降幅为99%，液测渗透率降幅为100%，起到了“后堵”的作用。结论认为，溶黏型仿生自愈合水泥浆体系可有效实现固井完整性并在水泥环破坏后通过自愈合实现长期密封完整性，为防止环空异常带压这一油气井生产安全隐患提供了有力的...     

三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理

针对固井水泥石所处的高温高压含H2S/CO2腐蚀环境以及复杂工况，开展三高条件下弹韧性水泥浆的性能变化及短期腐蚀机理研究。基于弹韧性外掺料的3种主要类型，采用向G级油井水泥中分别加入10%橡胶粉末、0.3%玄武岩纤维以及10%丁苯胶乳的方式制备弹性水泥浆。通过力学性能测试、XRD、FTIR、MIP及SEM-EDS测试，分析弹韧性材料添加前后及腐蚀前后，水泥石的力学性能、孔径分布、水化产物类型及微观结构变化。结果表明，掺入3种弹韧性材料均有利于水泥石的脆度系数降低、韧性提高，其中玄武岩纤维最利于控制材料破坏时裂缝的发展，而丁苯胶乳最利于降低材料的弹性模量和保持较大的抗折强度。经过短期液相腐蚀后，水泥试样的力学强度均出现增长，特别是掺入玄武岩纤维和丁苯胶乳的试样。玄武岩纤维在该研究中的腐蚀条件下性能稳定，腐蚀反应生成的致密碳酸钙晶体堆积于玄武岩纤维与水泥基质界面孔隙处，引起了腐蚀后材料总孔容的减小及力学强度的大幅度增长。丁苯胶乳在水泥石中形成聚合物膜，覆盖及包裹水泥基质，可提高复合水泥表面的耐腐蚀性能。     

页岩油原位转化工况下微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石性能评价

低成熟度页岩油原位转化工况下极端高温会导致固井水泥石强度发生衰退。因此，研究了微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥在650℃处理前后的宏观性能及微观结构。结果表明，50℃下六偏磷酸钠能显著降低铝酸盐水泥石的渗透率，但对抗压强度提升不明显，微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的渗透率明显降低，同时抗压强度提升明显。650℃处理后，5.0%六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的抗压强度最高，为47.19 MPa，而微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的抗压强度呈现降低趋势。铝酸盐水泥石在650℃处理前后水化产物发生明显转化，主要是C₃AH₆和AH₃转化为C₁₂A₇和CA，其中，C₃AH₆和AH₃主要在180～400℃期间发生热分解，同时水泥石由于晶型的转化导致孔隙增大。微硅促使铝酸盐水泥石在50℃环境下生成的C₂ASH₈，有助于改善水泥石的微观结构，但是，650℃处理后由于C₂     

高炉矿渣改性铝酸盐水泥材料腐蚀机理与性能

随着油气资源的勘探与开发力度加大，固井作业面临越来越复杂的工况，如高温、高压、酸性环境等，对固井水泥环提出了更高的要求，固井常用硅酸盐水泥由于自身矿物组分及水化产物原因，易被酸性环境腐蚀，进而引起固井水泥环封隔失效等问题。而高炉矿渣改性铝酸盐水泥基材料具有较好的耐高温性、耐久性和抗酸腐蚀性，还具有成本低、使用范围广的特点。模拟海上高温高压酸性气田开发实际工况，研究了高炉矿渣改性铝酸盐水泥的耐腐蚀性能，通过对腐蚀前后水泥石的物相组成和微观形貌的表征揭示了高炉矿渣改性水泥石的增强及防腐蚀机理。结果表明，掺入40%高炉矿渣可改善铝酸盐水泥后期强度衰退并提高防腐能力；微观分析表明，铝酸盐水泥主要物相CA会直接生成C₃AH₆，避免了C₂AH₈、CAH₁₀和高炉矿渣反应生成结构疏松并且强度较低的C₂ASH₈。由于该水化产物的大量生成，使得水泥石结构更为致密，减少了酸性介质腐蚀通道，使得高炉矿渣改性铝酸盐水泥石的力学性能以及防腐蚀能力大大提升。      

玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响

随着油气田开采难度和井下情况复杂化程度的增加，常规水泥环易发生脆裂，进而影响水泥环的层间封隔作用，影响井筒完整性。硫铝酸钙水泥是一种性能优良的固井水泥材料，为了了解硫铝酸钙水泥在固井工程中应用的潜力，制作了玻璃纤维增强硫铝酸钙水泥石（CSA/GRC）样品，利用X射线衍射法分析不同龄期硫铝酸钙水泥的晶体水化产物；通过三轴应力-应变实验，测试CSA/GRC固井水泥石的力学性能；采用扫描电子显微镜观察CSA/GRC固井水泥石断裂面的微观形貌，分析玻璃纤维在硫铝酸钙水泥石中的增韧机理。研究结果表明:CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性和力学形变能力，轴向抗压强度和极限应变值比常规玻璃纤维固井水泥石分别提高了约45%和300%；玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系之间有良好的复合能力，纤维抗腐蚀性能强；通过应力分散作用和桥联作用，玻璃纤维可约束裂缝的进一步扩展，从而提高固井水泥石的韧性。     

多尺度纤维韧性水泥浆体系研究与应用

针对油井水泥石脆性大、抗拉强度低、抗冲击和抗破裂性能差等问题,优选了3种不同尺度的无机纤维,并通过正交试验进行复配,形成了多尺度纤维增韧剂BCE-230S。考察了BCE-230S加量对水泥浆性能及对应水泥石力学性能的影响,确定了其最佳加量,形成了多尺度纤维韧性水泥浆体系。性能评价试验结果显示,与普通水泥石相比,多尺度纤维韧性水泥石的劈裂抗拉强度、抗压强度及抗冲击功显著提高,杨氏模量显著下降,且水泥浆性能良好。多尺度纤维韧性水泥浆体系在冀东油田低渗透油藏应用了10余井次,2个胶结面的胶结质量较邻井显著提高,后期压裂顺利,试油未见层间窜流。研究结果表明,多尺度纤维韧性水泥浆体系能够解决油井水泥石易脆裂的问题,可以保障井筒密封完整性和固井长期封固质量,具有广泛的应用前景。      

矿物纤维低密度水泥石力学性能研究

目前低密度水泥石多存在韧性不足、抗拉强度、抗折强度低等问题,给低密度水泥浆在深井、超深井井筒完整性带来忧患,因此改善低密度水泥石力学性能具有重要的意义。通过考察抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量,对新型材料玄武岩纤维和目前现场常用的聚丙烯纤维改善水泥石力学性能的效果进行了对比。结果显示:在较低加量范围内玄武岩纤维对水泥浆流动性影响不大,可以和聚丙烯纤维一样显著降低水泥浆API失水和自由水含量,提高水泥石的抗压和抗折强度,显著提高水泥石的抗拉强度,在掺量为0.5%时可使水泥石抗拉强度提高50%;同时可以降低水泥石弹性模量,提高水泥石的韧性。玄武岩具有较好的经济适用性,在油气井固井中有较大的开发应用潜力。     

纤维水泥浆防窜性能实验

针对固井过程中的气窜及开发过程中“二次窜流”等问题，在碳纤维水泥浆体系防窜性能研究的基础上，进行了纤维水泥浆的析水率（自由水量）、水泥石胶结强度及渗透率等实验研究。结果表明：纤维可以有效地增强水泥石的胶结强度、降低水泥石的渗透率、增加水泥的致密性，在合理长度和掺量条件下可以形成零析水率的纤维水泥浆体系；膨胀剂在固井工程中虽然可以满足特定情况下的施工要求，但是它会使水泥石的渗透率增加即密封性变差。综合分析结果认为，适当长度和掺量的纤维水泥浆体系既可以提高水泥石的抗压强度、改善水泥石的韧性，又可以有效地提高水泥浆的防窜性能。     

大庆油田低压高渗调整井韧性防漏水泥浆体系研究与应用

针对大庆油田调整井高渗低压地层固井过程中易漏、水泥浆失水较大导致固井质量较差的问题，研究开发了增韧防漏水泥浆体系。室内试验和地面模拟试验结果表明，增韧水泥浆的性能参数满足固井施工要求，其水泥石的抗压、抗折强度等力学性能指标优于净浆水泥石。杏南和萨北地区15口调整井固井试验应用了增韧水泥浆体系，15d延时声变检测固井质量优质率为86．67％；射孔前后抗破坏性对比试验也证实增韧水泥石具有良好的抗冲击性能。     

大牛地气田固井防窜水泥浆体系研究与应用

大牛地气田具有低压、低渗、个别井段易漏和固井后易气窜的明显特点,因此,对于储层的保护显得相当重要,气田对固井工程来说,在保证固井质量的同时尽量减少进入地层的水泥浆滤液和水泥浆颗粒,最大限度地保 护气层。在2004年之前大牛地气田固井质量极不稳定,通过分析研究,发现水泥浆的性能严重影响固井质量。针对水泥浆性能影响固井质量的原因分析,通过水泥浆体系和水泥石的室内试验与评价,优选出适合本工区的 水泥浆体系,固井质量取得了比较理想的效果。     

防气窜泡沫水泥浆的研究与应用

长庆气田属低压低渗透气田．气层多．含气井段长，压力梯度不等，固井时易发生气侵窜槽．造成水泥石界面胶结不良。针对长庆气田的特点，研究出了防气窜泡沫水泥浆，外加剂由氮气发气剂GFQ-1和GFQ-2、稳泡剂GWP和缓凝剂GH-2组成，GFQ-1和GFQ-2与GWP之问的最佳比例为4g：5mL；8mL。现场试验表明，GFQ-1与GFQ-2的反应平稳，气体量易控制；泡沫封闭稳定，渗透率低，泡沫细小、均匀．不易破裂．在浆体中均匀分布；浆体稳定性和流动性好．游离液为零；水泥石抗压强度高。水泥浆密度低；水泥浆具有可膨胀性和可压缩性．直角稠化，水泥石胶结强度高，可有效防止油气水窜．防气窜泡沫水泥浆配方简单．施工方便，成本低。气层井段优质率为87％，合格率为100％。     

国外高温高压固井新技术

介绍了国外几种高温高压油气井固井用新型水泥浆体系.柔性水泥浆配方中含有柔性外加剂、膨胀剂和常规外加剂,对挠曲强度和抗压强度、泊松比和渗透率、线性膨胀和水泥环寿命等性能指标的评价可知,该体系的特点是有弹性、可压缩性低、没有收缩、渗透率极低,可以避免由于井眼压力增加或温度升高引起的水泥环损坏.高密度高性能水泥浆体系(HDHPS)同常规水泥浆相比,浆体流变性可调、密度高(达2.88 g/cm3);具有更大的现场容忍性,更具稳定性;抗污染能力更强;有更高的抗压强度;在更宽的温度范围内,凝固更快、更均匀;最终的抗压强度更高;凝固水泥体积收缩少;凝固水泥的渗透率和孔隙度小.8次HDHPS作业均取得了很好的效果.介绍了北海Graben中部地区极高温/高压井(6口井平均井深在6000 m以上,温度超过200 C,破裂压力与孔隙压力的区间很小,井底压力超过110 MPa,井斜最大达35°)固井的成功经验.     

川深1井超高温高压尾管固井技术

针对川深1井四开井段超高温高压地层尾管固井长效密封的需求,通过增大硅粉加量和合理匹配硅粉粒径抑制水泥石强度衰退,优选高温苯丙胶乳、纳米液硅等改善水泥浆的防气窜能力、力学性能、稳定性等,设计了适用于超高温高压地层的高密度防气窜水泥浆。其性能为:密度2.05 kg/L,防气窜系数SPN值小于0.43,气窜模拟未见气窜现象发生;水泥石在180 ℃下养护14 d抗压强度达到了41 MPa,未见强度衰退现象;水泥石气测渗透率0.008 1 mD,单轴弹性模量为7.54 GPa。川深1井四开井段采用高密度防气窜水泥浆,并采取“替净”、“压稳”和“封严”等固井技术措施,有效封隔了高压气层,为后期作业提供了良好的井筒环境。这表明,超高温高压地层通过优选合适的水泥浆,并采取相应的技术措施,可以解决超高温高压地层的固井技术难点,提高固井质量。      

垦东油田固井水泥浆技术

胜利垦东油田地层压力系数低,一般为0.9～1.0,600～700 m井段间还有浅气层,要求水泥浆返至地面,固井面临着封固段长、水泥用量大、易漏失憋泵、地温梯度低、水泥石强度发展慢、施工压力高、油气水易侵入造成窜槽等难题.该区块2003年固井30口(其中5口井经补救合格),合格率为93.3%,优质率为60%,固井质量严重威胁着油田的合理开采和产能建设.经室内实验研究和分析对比,优选出了水泥浆配方,并采取了相应的技术措施.现场应用表明,优选出的水泥添加剂相容性好,配伍性强,浆体性能优良,能防止对油层的污染,延长油井寿命;水泥石的渗透率低、强度高、韧性强,大大提高了固井优质率,现场固井20口,合格率达100%,优质率为80%.     

胜利油田深探井固井技术难点与对策

针对胜利油田深探井固井面临地层压力层系多、井壁稳定性差、高温、高压等复杂地质条件,固井施工工艺复杂,压稳、防漏难度大,固井工具可靠性差,导致固井质量合格率偏低等问题,通过系统分析固井技术难点及其主要影响因素,研究了配套的深探井固井工艺技术。针对深探井高温、高压条件下进行固井施工时防窜、防漏等的需要,研制了高温水泥浆、晶格膨胀水泥浆、低密度高强度水泥浆、防窜抗渗水泥浆等4种水泥浆体系;通过压稳设计分析、钻井液性能调整、前置液优选、高压井防窜、固井工具优选等,研究了具有针对性的固井技术措施。2012年,该深探井固井工艺技术在胜利油田61口井进行了现场应用,结果表明,固井质量得到明显提高,其中第二界面固井质量合格率由之前的40%~50%提高到82%。实践证明,综合配套的深探井固井工艺技术能够满足该油田深探井固井施工需要。